纳米孔隙中页岩气扩散模拟实验和数学模型分析

摘要

深层页岩气在纳米孔隙中的扩散行为分为体相扩散(Fick和Knudsen扩散)和表面扩散.为了定量评价温度、压力等对扩散系数的影响,揭示深层页岩气的保存机理,以南方鄂西秭归茅坪地区寒武系牛蹄塘组页岩为实验对象,在不同温压条件下,通过等压扩散实验对纳米孔隙甲烷扩散进行实验模拟.结果表明:(1)扩散系数DF随压力增大而减小(当压力大于30 MPa时,DF趋于平稳),随温度升高而增大;(2)在高温高压环境下,DF受压力影响更大,总体趋于减小.随后,定量考虑了温度、压力、孔隙及岩性特征对各种扩散行为的影响,建立了数学模型.该模型与模拟实验结果相似,可以相互验证:(1)温度升高促使分子动能增大,导致体相和表面扩散系数都增大,而压力增大虽然会使Fick扩散和表面扩散作用稍微加强,但会显著限制Knudsen扩散并最终导致总扩散作用降低;(2)孔径增大加强了体相扩散作用,削弱了表面扩散作用.最后,结合具体研究区块,认为深层高压环境有利于页岩纳米孔隙气藏的保存,而地层抬升释放压力的过程是页岩气散失的主要阶段.